生物化学（仪器设备）PocketPCR：超便携口袋式设计、全部开源、可3D打印的 聚合酶链式反应设备

最新推荐文章于 2025-07-23 11:40:54 发布
最新推荐文章于 2025-07-23 11:40:54 发布
阅读量1.1k 收藏 30
点赞数 27
CC 4.0 BY-SA版权
分类专栏： 硬件和移动端 文章标签： 笔记
版权声明：本文为博主原创文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版权协议，转载请附上原文出处链接和本声明。
本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/ResumeProject/article/details/148995638

文章目录

PocketPCR简介

  • PocketPCR 是由 GaudiLabs 发起的一个开源项目，旨在提供一种 袖珍型、低成本、USB供电的 PCR 热循环仪（Thermal Cycler）。它允许生物实验者在桌面或野外环境中进行基础的 DNA 扩增实验。
链接地址用途说明
http://gaudi.ch/PocketPCR/官方介绍页面（GaudiLabs 官网）
https://github.com/GaudiLabs/PocketPCRGitHub 项目主页，包含源代码、电路图、说明文档等
Essential Biochem Lab Equipment: PCR Machine ， How To Assemble PocketPCR ，详细的使用教程(包括加矿物油防止蒸发)PocketPCR 使用演示视频（YouTube）

在这里插入图片描述

PocketPCR 结构展示

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

硬件部分

加热头部分

在这里插入图片描述

PCB

  • 官方代码在硬件部分提供了每个板子的GERBER的zip文件，直接上传到PCB平台就能进行打板。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

  • 使用的主控为：SAMD21G18B-A (changed from SAML21)，通过arduino进行编程：
    在这里插入图片描述

BOM

  • 核心元器件与主芯片
设计ator数量名称封装订货号
U21SAMD21G18B-A（改自 SAML21）TQFP-48 7×7mm, 0.5mm 间距556-ATSAMD21G18A-AUT
U11TLV1117-33 稳压器SOT-223595-TLV1117LV33DCYR
Y11晶振 32.765 kHzSMD_3215-2pin_3.2x1.5mm520-ECS-327-12.5-34B / 449-LFXTAL009678REEL
NTC1热敏电阻 10K 0.5% 04020402810-NTCG103JX103DTDS
  • 显示、连接与接口
设计ator数量名称封装/说明订货号
S11OLED 显示连接器-649-SFV30R-1STE1HLF
S11OLED 显示屏OLED_096_1_Flip-
J31USB Type-C 插座Amphenol_12401610E4-2A523-12401610E4#2A
J112 针接头1x02 PinHeader-
J20调试接头（未装）2x5, SMD, 1.27mm-
  • 有源/无源元件
设计ator数量名称封装订货号
Q1, Q2, Q33N-MOS 管（GSD）SOT-23863-NTR3C21NZT1G
LED1, LED22指示灯0805-
  • 电容、电阻
设计ator数量值封装订货号
C31100uF, 6.3V1206JMK316ABJ107ML-T
C2, C5210uF, 6.3V1206JMK107ABJ106MA-T
C1, C4, C12, C14, C1651uF0805810-C2012X7R1C105M-3 / 603-CC805KKX7R7BB105
C6–C94100nF0805-
C10, C11222pF0805-
C15, C1722.2uF0805603-CC805KKX7R7BB225
R1, R9, R1034.7kΩ0805-
R2, R32390Ω0805-
R5, R72390kΩ0805-
R4, R624.7kΩ, 0.1% 精度-279-CPF0805B4K7E1
  • 散热、风扇、机械件
名称数量说明 / 参数订货号
Blower 风扇130×30×10mm, 5V, 2Pin3010 fan
Heat Block1Ø19.5mm, 铝合金 6082-
Spring 弹簧1线径 0.4mm / 长度 5mm 或 0.3mm / 10mm-
Feets 脚垫4硅胶脚塞，适配 6.5mm+MAKSEY Silicone Caps
Screw M3x6mm2黑色十字盘头螺钉 DIN 7985-
Screw M3x16mm4黑色十字盘头螺钉 DIN 7985-
Plastic Screw2M3 白色尼龙或黑色手拧螺钉-
X1, X22+2六角金属柱，10mm + 20mm, M3VT DI 10MM / VT DI 20MM
  • 旋转编码器相关
名称数量封装订货号
SW11带按压开关的旋转编码器Alps EC11E858-EN11-HSB1AQ15
Encoder Cap1旋钮帽，6mm 轴用套件/批量购买
Rotary Encoder Spring1与编码器弹力回弹配合-
  • PCB 列表
名称数量材质 / 特性
PCB11TopHeater 铝基板，导热率 2W，黑色，1.6mm
PCB21主控 PCB，FR4 黑色，1.6mm
PCB31盖子 PCB，FR4 白色，1.2mm
  • 其他物品
名称数量描述型号
Beutel ESD 袋1ESD 屏蔽袋 76×127 mm，可重复封口ESD BEUTEL-S 127

CODE

  • 这段 loop() 是整个 PocketPCR 热循环控制程序的核心，负责读取传感器、处理界面交互、控制温度状态转换、执行 PID 控制逻辑，并呈现不同的用户界面（主界面、设置界面、运行状态界面等）。整个状态流严格控制 PCR 各个阶段：变性、退火、延伸，并且支持用户自定义每个阶段的时间和温度。
void loop() {
  // 关闭加热与风扇，初始化状态
  setHeater(0, 0);  

  // 读取NTC热敏电阻的ADC值
  sensorValue = analogRead(analogInPin);

  // 应用当前温度与控制值设置加热/冷却输出
  setHeater(temperature_mean, TEMPcontrol);

  // 将ADC值转换为电压
  sensorVoltage = 3.3 * sensorValue / 4096;

  // 使用分压公式计算热敏电阻阻值
  sensorResistance = (sensorVoltage * NTC_R0) / (3.3 - sensorVoltage);

  // 根据 B 参数模型计算温度值（摄氏）
  temperature = 1 / (log(sensorResistance * 1000 / NTC_RN) / NTC_B + 1 / NTC_TN) - 273.15;

  // 平滑滤波温度值（加权滑动平均）
  temperature_mean = (temperature_mean * 3 + temperature) / 4;

  // 根据当前 UI 状态 caseUX 进行功能分支
  switch (caseUX) {

    // 主界面：用户在“Run PCR”与“Setup”之间选择
    case CASE_Main:
      if (counter > 1) counter = 0;
      if (counter < 0) counter = 1;
      MenuItem = counter;
      draw_main_display(); // 显示主界面

      // 用户按键触发
      if (!digitalRead(butPin)) {
        while (!digitalRead(butPin));  // 等待释放
        if (MenuItem == 0) {
          caseUX = CASE_Run;           // 进入运行界面
          casePCR = PCR_set;           // 初始化PCR状态
          PCRstate = 0;
          counter = 0;
        }
        if (MenuItem == 1) {
          caseUX = CASE_Settings;      // 进入设置界面
          counter = 0;
        }
      }
      break;

    // 设置界面：显示与编辑温度/时间设置
    case CASE_Settings:
      if (counter > 12) counter = 0;
      if (counter < 0) counter = 12;
      MenuItem = counter;

      // 判断当前设置项是否为“分钟”单位
      minuteMode = (MenuItem % 2 == 1 && settings.value[MenuItem] > 90);

      // 进入具体某一项的编辑界面
      if (!digitalRead(butPin)) {
        while (!digitalRead(butPin));
        caseUX = CASE_EditSettings;
        counter = minuteMode ? settings.value[MenuItem] / 60 : settings.value[MenuItem];
      }

      draw_setup_display(); // 显示设置界面
      break;

    // 编辑具体某项设置（温度或时间）
    case CASE_EditSettings:
      if (MenuItem % 2 == 0) { // 温度项
        if (MenuItem == 10) {
          if (counter < 1) counter = 1;
          if (counter > 99) counter = 99;
        } else {
          if (counter < 25) counter = 25;
          if (counter > 99) counter = 99;
        }
      } else { // 时间项
        if (minuteMode) {
          if (counter < 2) { minuteMode = false; counter = 90; }
        } else {
          if (counter > 90) { minuteMode = true; counter = 2; }
          if (counter < 0) counter = 0;
        }
      }

      // “保存设置”或“恢复默认”
      if (MenuItem == 11) {
        caseUX = CASE_Main;
        my_flash_store.write(settings); // 保存
      }
      if (MenuItem == 12) {
        caseUX = CASE_Main;
        settings = my_flash_store.read(); // 恢复
      }

      // 保存当前值到 EEPROM 缓存结构
      if (MenuItem < 11) {
        settings.value[MenuItem] = minuteMode ? counter * 60 : counter;
      }

      // 返回设置页面
      if (!digitalRead(butPin)) {
        while (!digitalRead(butPin));
        caseUX = CASE_Settings;
        counter = MenuItem;
      }

      draw_setup_display(); // 显示设置项
      break;

    // PCR 运行状态机
    case CASE_Run:
      // 温差与积分项更新（用于 PID 控制）
      TEMPdif = TEMPset - temperature_mean;
      TEMPi += TEMPdif;

      // 每200ms 计算一次微分项（TEMPd）
      if (millis() - TEMPclick > 200) {
        TEMPclick = millis();
        TEMPd = TEMPdif_a[4] - TEMPdif;
        TEMPdif_a[4] = TEMPdif_a[3];
        TEMPdif_a[3] = TEMPdif_a[2];
        TEMPdif_a[2] = TEMPdif_a[1];
        TEMPdif_a[1] = TEMPdif_a[0];
        TEMPdif_a[0] = TEMPdif;
      }

      // PCR 流程控制状态机
      switch (casePCR) {
        case PCR_set:
          // 设置当前阶段目标温度和时间
          TEMPset = settings.value[PCRstate * 2];
          TIMEcontrol = settings.value[PCRstate * 2 + 1];
          PIDIntegration = false;
          casePCR = PCR_transition; // 进入加热阶段
          break;

        case PCR_transition:
          runPID(); // PID控制
          draw_run_display();
          // 达到目标温度后进入计时状态
          if (abs(TEMPset - temperature_mean) < temperature_tollerance) {
            PIDIntegration = true;
            TEMPi = 0;
            TIMEclick = millis();
            casePCR = PCR_time;
          }
          break;

        case PCR_time:
          runPID(); // PID控制
          // 倒计时
          TIMEcontrol = settings.value[PCRstate * 2 + 1] - (millis() - TIMEclick) / 1000;
          draw_run_display();

          // 阶段结束后判断下一个状态
          if (TIMEcontrol <= 0) {
            if (PCRstate == 4) caseUX = CASE_Done; // Final结束
            else if (PCRstate == 3) { // Extension -> Denature (下一轮)
              PCRstate = 1;
              PCRcycle++;
              if (PCRcycle > settings.value[10]) PCRstate = 4; // 到达循环上限，进入 Final
            } else {
              PCRstate++; // 正常流程进入下一阶段
            }
            casePCR = PCR_set; // 开始下一阶段
          }
          break;

        default:
          break;
      }
      break;

    // PCR 完成界面
    case CASE_Done:
      TEMPcontrol = 0;
      setHeater(temperature_mean, TEMPcontrol); // 停止加热

      display.clearDisplay();
      display.setFont(&FreeSans9pt7b);
      display.fillRect(10, 10, 100, 40, 1);
      display.setCursor(15, 30);
      display.setTextColor(0);
      display.println("PCR Done"); // 显示完成信息
      display.display();
      display.setFont();

      if (!digitalRead(butPin)) {
        while (!digitalRead(butPin));
        caseUX = CASE_Main;
        counter = MenuItem;
      }
      break;

    default:
      break;
  } // end switch
}

温度控制原理

  • 系统通过 热敏电阻 + PID 算法 + 加热器 + 风扇 实现高精度闭环温控。

控制流程概述

  1. 温度测量：

    • 通过热敏电阻（NTC）采集当前温度（使用 analogRead()）。
    • 使用热敏电阻的阻值换算公式与 B 参数模型将电压转换为温度。

  2. 设定目标温度：

    • 根据当前的 PCR 状态（如变性、退火、延伸等），读取 EEPROM 里保存的目标温度 TEMPset。

  3. 误差计算与 PID 控制：

    • 计算当前温度与目标温度之间的差值 TEMPdif。
    • 调用 runPID() 函数，根据 PID 算法（比例P + 微分D + 积分I）计算出控制量 TEMPcontrol。

  4. 执行加热或冷却：

    • 调用 setHeater()，根据 TEMPcontrol 的正负：

      • 正值表示加热：启用加热器（加热电阻），关闭风扇。
      • 负值表示冷却：启用风扇，关闭加热器。

PID 控制 ：runPID()

TEMPcontrol = PIDp * TEMPdif + PIDd * TEMPd + (int)PIDIntegration * PIDi * TEMPi;
  • PIDp, PIDi, PIDd 是比例/积分/微分系数。
  • TEMPdif：当前目标温度与实际温度差。
  • TEMPi：积分项（误差累加）。
  • TEMPd：微分项（温差变化速率）。
  • TEMPcontrol 是一个浮点值，代表“应该加热多少”或“应该冷却多少”。

风扇控制：setHeater(float temperature, float power)

  • 风扇配合加热器，实现了主动降温机制，使温控反应速度更快、更加精准，尤其适合 PCR 中快速温变需求（例如从 95°C 降至 55°C）。
if (TEMPcontrol > 0)
{
  // 加热控制（风扇停）
  heatPower = power_heating(temperature, power);
  analogWrite(fanPin, 0);
  analogWrite(heaterPin, heatPower);
}
else
{
  // 冷却控制（关闭加热，风扇开启）
  heatPower = power_cooling(temperature, power);
  analogWrite(fanPin, heatPower);
  analogWrite(heaterPin, 0);
}
  • 根据 TEMPcontrol 的正负，决定启用加热器或风扇。
  • 调用 power_heating() / power_cooling() 计算合适的 PWM 占空比。
情况风扇状态作用说明
需要升温（TEMPcontrol > 0）关闭风扇防止风扇带走热量，集中加热
需要降温（TEMPcontrol < 0）开启风扇加快冷却速率，迅速降温
温控关闭（如 PCR 结束）风扇关闭节能，系统静止

CG

基于STM32设计的便携式心电信号监测系统_146
09-11 9031
基于STM32 设计的便携式心电信号监测系统，采用 PulseSensor 心率传感器进行数据采集，通过 LCD 显示屏显示心电数字数据和采集状态。同时，该系统还采用 HC05 蓝牙模块将实时心电信号数据传输到手机 APP，用户可以在手机 APP 上实时查看采集的数据并绘制心率曲线。此外，STM32 上的按键可以控制心率采集状态，用户登录手机 APP 还可以查看实时心电信号折线图。
基于STM32设计的健康检测设备(测温心率计步)（局域网）
12-30 1万+
本文介绍的项目是基于STM32设计的健康检测设备，支持体温测量，心率检测，支持运动计步(采用MPU6050陀螺仪实现),支持WIFI传输数据到手机APP打印显示。
监测生命体征、活动水平的可穿戴电子产品设计方案
热门推荐
不脱发的程序猿
07-05 4万+
在不断增强的健康意识推动下，人们开始关注测量生命体征参数：如心率、体温、血氧饱和度、血压、活动水平(运动量)和脂肪燃烧量、以及追踪这些参数的日常变化趋势。
c#使用WPD读取便携式设备信息一（枚举设备、连接设备及读取设备信息）
lc156845259的博客
04-20 1万+
手机或其他电子设备通过USB插入电脑上，并且以MTP（媒体传输协议）方式连接时，可在“计算机”中看到类似计算机盘符的便携式设备文件夹显示，但是这并不是一个计算机盘符，并不能通过常规读取文件的方式读取其中的数据。那么如何才能读取便携式设备（如只能手机）的数据呢？
DL学习笔记：穿戴设备上的轻量级人体活动识别方法
Hello大家好，我是Dream，如果帮得到你，那我深感荣幸！想进粉丝福利群及免费送书群，直接私信我拉你。交流学习、商务合作：https://bbs.youkuaiyun.com/topics/614347534
03-22 2万+
论文的创新不仅在于技术突破，更在于重新定义了 HAR 的设计理念：效率优先：在保证准确率的前提下，优先考虑计算和内存效率。毕竟，可穿戴设备的用户更关心续航和响应速度。单传感器的哲学：少即是多。通过优化算法，减少对硬件的依赖，这对普及低成本可穿戴设备至关重要。它没有盲目追求更高的准确率，而是在效率和性能之间找到了黄金平衡点。用简单的统计方法替代复杂模型，用剪枝量化让 CNN “瘦身”，这些看似 “妥协” 的选择，实则是对可穿戴设备特性的深刻理解。
佳博便携式条码打印机怎么使用_佳博打印机如何设置热敏打印
weixin_39765290的博客
12-18 6340
原标题：佳博打印机如何设置热敏打印现在市场上标签纸种类比较多，如果你的打印机适合哪种标签纸，你需要在你的打印机上安装对应的标签纸即可，这里以佳博打印机安装热敏纸为例，首选需要在打印机上安装热敏纸，安装的位置要是热敏打印的位置。安装好之后，再在打印机首选项中进行设置，具体操作如下：点击开始-设备和打印机，弹出设备和打印机对话框，在对话框中找到佳博打印机。 在佳博打印机上右击-打印首选项-高级设置中，...
WIN7计算机管理里没有便携设备,如何显示及删除Win7设备管理器中隐藏的已用过的硬件设备信息(图)...
weixin_39531378的博客
07-10 4271
一、创建“devmgr_show_nonpresent_devices”变量先右击桌面的“计算机”图标，依次选择“属性→高级系统设置”，打开“系统属性”对话框的“高级”选项卡;接着单击该选项卡中的“环境变量”按钮，打开一个与之同名的对话框(图2);再单击图2中的任意一个“新建”按钮，按照提示创建一个名为“devmgr_show_nonpresent_devices”的用户变量或系统变量并将其值修改...
基于STM32设计的老人防摔倒报警设备(OneNet)_65
08-02 1万+
本文设计了一种基于STM32单片机的智能老人防摔倒报警设备。该系统结合MPU6050陀螺仪传感器实时监测老人的姿态变化，检测摔倒事件；通过SIM800C通信模块发送短信通知紧急联系人，并将GPS定位信息上传至云端平台，确保家属能够及时了解老人的准确位置。
OpenDroneMap：开源的航拍影像处理工具库
家辉自留地
11-07 8678
OpenDroneMap：开源的航拍影像处理工具库 作者：胡佳辉 日期：2019年11月07日 优快云博客：https://blog.youkuaiyun.com/gobitan OpenDroneMap（ODM）是一个开源的航拍影像处理工具库，由开源地理空间基金会OSGEO开发。使用OpenDroneMap可以生成如下产品： 点云 数字表面模型 纹理数字表面模型 ...
扫描二维码在移动设备上浏览响应式页面
素履独行 | 元培的个人博客
05-24 7788
最近想尝试对一个Ghost博客主题进行移植，因为对一个后端程序员来说，进行前端方面的工作实在是个不小的挑战，而我对CSS更是有种与生俱来的恐惧感，所以我是非常喜欢Bootstrap和Materilize这种对后端程序员友好的前端框架。现在前端技术如火如荼，而前端技术作为最有可能实现跨平台技术的技术形态，相对原生技术有着更为灵活的适应性和扩展性，因此以响应式设计为代表的Web技术，能够让Web页面在不
医学影像学基础：理解CT、MRI、X射线和超声等医学影像设备的基本工作原理和成像技术
编程技术探索者，分享C/C++、C#、Java、数据库等开发经验，聚焦实战技巧与AI兴趣，助力编程爱好者成长。
10-28 2478
医学影像学基础：理解CT、MRI、X射线和超声等医学影像设备的基本工作原理和成像技术
myRIO-1900：学生设计的便携式RIO设备用户手册与规格概览
本文档是关于National Instruments（NI）myRIO-1900便携式可重构输入/输出（RIO）设备的用户指南和规格手册。myRIO-1900是一款专为学生设计的设备，旨在支持控制系统、机器人和机电系统的设计与开发。它提供了丰富的...
NirLauncher：便携式小程序的超实用合集
免安装便携版小程序指的是那些不需要在计算机上进行安装即可直接运行的程序，它们通常存储在可移动存储设备如U盘中。这些程序的特点是便于携带、使用灵活，且不会对宿主机的系统环境造成影响。 **2. NirSoft软件...
开源高采样便携示波器：电路设计与源代码发布
1. SmartScope示波器概述：SmartScope是专为移动设备设计的高采样率示波器，能与多种操作系统兼容，包括iOS、安卓、Windows、Linux和OS X。 2. 跨平台兼容性：利用Xamarin框架开发UI，使得应用能够跨平台运行，适用...
QOwnNotes：跨平台笔记管理的高效之选
最新发布
2501_90839605的博客
07-23 583
QOwnNotes 作为一款功能强大的跨平台笔记应用程序，凭借其简洁的界面、强大的功能和高度的灵活性，迅速赢得了用户的青睐。它不仅支持多种操作系统，还提供了丰富的笔记管理、任务管理和清单功能，满足了用户在工作和学习中的多样化需求。QOwnNotes 的性能表现非常出色，它能够快速响应用户的操作，无论是加载笔记、搜索内容还是同步数据，都能在短时间内完成。- 笔记加密：为了保护用户的隐私，QOwnNotes 支持笔记加密功能，用户可以为重要笔记设置密码，确保只有授权用户才能查看。
ROS个人笔记
weixin_62742821的博客
07-22 280
（2）设置环境变量，顺便建立devel文件夹（不过这个文件和bulid文件好像catkin_make会自动生成），source devel/setup.bash（3）catkin_make install生成安装空间（4）在src文件夹中创立功能包：catkin_create_pkg 名字 依赖（如rospy roscpp，std_msgs基本上都要这三个）（5）做出修改后最好重新catkin_make一下。2.ROS有四大工作区间，套用单片机工程来理解：src是存功能包的，即类似存main等函数。
渗透笔记（XSS跨站脚本攻击）
2201_75408313的博客
07-20 687
本文系统介绍了XSS（跨站脚本）攻击的原理、类型及防御措施。主要内容包括：1）三类XSS攻击（反射型、DOM型和存储型）的原理与典型示例；2）DVWA靶场各等级XSS绕过技巧；3）xss.pwnfunction靶场DOM型XSS实战案例；4）高级攻击技术如原型链污染和DOM Clobbering；5）防御策略包括输入验证、输出编码、CSP策略等。文章通过大量代码示例展示了XSS攻击的多样性和危害性，并提供了全面的防护建议，对Web安全防护具有重要参考价值。
Compose笔记(三十六)--SearchBar
ljt2724960661的博客
07-19 356
这一节主要了解一下Compose中的SearchBar，在Jetpack Compose中，SearchBar是Material 3组件库提供的一种搜索组件...
sqli-labs通关笔记-第11关 POST字符型注入(单引号闭合 手工注入+脚本注入两种方法)
mooyuan的网络安全博客
07-21 1059
SQLI-LABS 是一个专门为学习和练习 SQL 注入技术而设计的开源靶场环境，本小节通过手工注入和脚本注入共2种方法对第11关Less 11基于字符型的SQL注入关卡进行渗透实战，相对于前1-10关的最主要区别是报文参数的请求方法由GET变为POST。  
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

个

红包个数最小为10个

元

红包金额最低5元

当前余额3.43元 前往充值 >
需支付：10.00元
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付元
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明：

1.余额是钱包充值的虚拟货币，按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载，可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值